雷慶斌，唐 霖，張利峰，李 歐，王 朝

(1.西安工業(yè)大學 兵器科學與技術學院，陜西 西安 710021；2.中國兵器內蒙古北方重工業(yè)集團有限公司，內蒙古 包頭 014030)

0 引言

采用密度小、強度高的鈦合金材料制造內螺旋線身管能充分發(fā)揮輕武器靈活快捷的優(yōu)勢，然而傳統(tǒng)機械加工方式難以實現(xiàn)鈦合金內螺旋線類產(chǎn)品的推廣應用。電解加工以其高效、高表面質量、無切削應力等優(yōu)點在鈦合金等高強度、高硬度材料加工領域發(fā)揮了重要作用[1]。

國內外學者對鈦合金電解加工開展了大量研究并取得了許多重要成果[2-4]。Anasane等研究了鈦合金在不同電解液中的溶解特性[5]。孫宇博等研究發(fā)現(xiàn)采用15%NaBr+10%NaCl電解液加工TC4試樣可提高樣件的表面質量[6]。何亞峰等通過多物理場耦合仿真及試驗研究獲得了適用于鈦合金方孔加工的電解工藝參數(shù)[7]。對大長徑比內螺旋線類零件電解加工，唐霖等人在陰極設計方法、陰極運動軌跡精確控制、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面取得了突破性進展，實現(xiàn)了大、中、小口徑內螺旋線的高效高質量加工[8，9]。

針對鈦合金內螺旋線成型精度高、表面質量要求高、材料溶解困難的現(xiàn)狀，本文提出了一種鈦合金內螺旋線電解加工陰極結構，對不同電解液流動方式的陰極結構進行仿真分析，并研究了供液孔排布角度對間隙流場的影響，最后在大型臥式電解加工設備上進行了試驗驗證。

1 電解加工陰極結構設計

鈦合金內螺旋線剖面圖如圖1所示。為解決傳統(tǒng)機械加工存在的鈦合金內螺旋線加工困難的問題，本文提出了一種電解加工陰極結構，如圖2所示，主要包括陰極體、鎖緊螺母、前引導、密封圈、后引導和端蓋等，陰極體上設置有工作齒，位于前引導和后引導之間。

a-陽線寬度；b-陰線寬度；R1-陽線半徑；R2-陰線半徑；R-根部圓弧半徑圖1 鈦合金內螺旋線剖面圖

圖2 電解加工陰極結構

采用不同的電解液流動方式分別建立拉式逆流、拉式順流陰極結構模型，其剖視圖如圖3所示。拉式逆流陰極電解液從空心拉桿流入，沿陰極體前端的供液孔噴出經(jīng)工作齒小端至加工區(qū)，從工作齒大端經(jīng)后引導表面流出，電解液在工作齒表面流動方向與拉桿牽引陰極方向相反；拉式順流陰極電解液經(jīng)拉桿內孔流入陰極體，沿陰極體后端的供液孔流出經(jīng)工作齒大端至加工區(qū)，從工作齒小端的小孔流入陰極體內回液孔最后從尾部流出，電解液在工作齒表面流動方向與拉桿牽引陰極方向相同。

圖3 陰極剖視圖

2 電解加工間隙流場建模與仿真

2.1 流場仿真模型建立

鈦合金內螺旋線電解加工過程中，在保證加工間隙流場基本特征的前提下，將其簡化為理想狀態(tài)：忽略電解產(chǎn)物等固體顆粒及氣體的影響，電解液不可壓縮，動力黏度不隨速度梯度改變而變化，加工過程視為穩(wěn)態(tài)。選用質量分數(shù)3%NaCl+10%NaNO3+6%NaClO3的復合溶液作為電解液，設置恒溫30 ℃，運動黏性系數(shù)ν=1.01×10-6m2/s,入口流體流速U=15 m/s，入口圓管內徑D=30 mm。根據(jù)圓管流雷諾數(shù)運算公式有：

(1)

雷諾數(shù)Re遠大于2 300，故流場模型為湍流，滿足Navier-Stokes方程，受質量守恒、動量守恒定律約束，即：

(2)

(3)

其中：ρ為流體密度；t為時間；u為流體流速；為梯度算子；I為單位張量；F為單位質量的流體受到的體積力，在電解加工間隙中極小，常忽略不計；K為模型常量，K=0.14。

在理想狀態(tài)下，采用標準k-ε湍流模型對電解加工間隙流場分布進行計算，其中湍流黏度μT計算公式為：

(4)

湍動能k和湍動能耗散率ε的輸運方程如下：

(5)

(6)

其中：Pk為湍流生成項；Cμ、σk、σε、Cε1、Cε2均為模型常量，Cμ=0.09、σk=1.0、σε=1.3、Cε1=1.44、Cε2=1.92；μ為動力黏度系數(shù)。

鈦合金內螺旋線電解加工時加工間隙流場物理模型如圖4所示，工件固定于臥式電解加工機床上，拉桿牽引陰極運動，陰極與工件之間充滿電解液并按圖中箭頭所示方向流動。電解液流經(jīng)區(qū)域即為流場幾何模型，如圖5所示。

圖4 加工間隙流場物理模型

圖5 流場幾何模型

采用COMSOL軟件中的CFD模塊進行流場仿真，網(wǎng)格劃分時兼顧計算精度和計算速度：對流體出入口、工作齒區(qū)域選用較細化自由四面體網(wǎng)格劃分，邊界層進行加密處理，其余區(qū)域采用常規(guī)大小網(wǎng)格。流場網(wǎng)格剖分結果如圖6所示。

圖6 流場網(wǎng)格剖分結果

復合電解液密度ρ=1.1×103kg/m3，動力黏度系數(shù)μ=10-3Pa·s，流場邊界條件設置為：入口速度為15 m/s，出口壓力為101 325 Pa，其余各面均設置為無滑移壁面。

2.2 流場仿真結果分析

兩種陰極結構的工作齒切面流速等值線分布如圖7所示，拉式逆流陰極流速等值線在工作齒小端密集，流向大端過程中越來越稀疏且速度值降低，說明拉式逆流陰極間隙流場發(fā)散；拉式順流陰極流速等值線在工作齒大端密集，流向小端過程中逐漸稀疏但速度值增大，且靠近工作齒小端附近等值線再次趨向密集，表明拉式順流陰極間隙流場收斂，電解液在加工間隙分布飽滿。

圖7 工作齒切面流速等值線分布

沿工作齒軸向添加截面將加工區(qū)分為10等份，在每個截面得到工作齒區(qū)域電解液流速，如圖8所示。由圖8可以看出:拉式逆流陰極電解液在工作齒小端流速最高達13.8 m/s，流向大端時速度降低至8.1 m/s，且遞減趨勢越來越明顯；而拉式順流陰極電解液在工作齒大端流速較低為11.0 m/s，流向小端時流速上升至16.4 m/s，且遞增幅度變大;同時可以看出，拉式順流陰極電解液流速整體高于拉式逆流陰極電解液流速。

圖8 工作齒區(qū)域流速分布

從加工間隙電解液速度等值線分布和流速變化的對比分析發(fā)現(xiàn):拉式順流陰極電解液流場分布優(yōu)于拉式逆流陰極電解液流場分布，有利于加工間隙電解產(chǎn)物排出和電解液更新，更適合于鈦合金內螺旋線的電解加工。

3 拉式順流陰極供液孔的優(yōu)化

鈦合金內螺旋線電解加工過程中易出現(xiàn)點蝕，合理的流場設計對抑制點蝕至關重要。本文在拉式順流陰極結構的基礎上對電解液流場進一步研究，提出了旋轉流場加工方法，即將原來徑向排布的供液孔(0°供液孔)改為沿陰極體徑向呈斜角α排布，如圖9所示。這樣可以使流向加工間隙的電解液形成旋轉流場，從而優(yōu)化電解液在工作齒表面的流速及分布均勻性。將α分別設置為25°、30°、35°、40°、45°，建立電解加工間隙流場模型，在電解液入口速度為15 m/s、出口壓力為101 325 Pa條件下分別進行仿真分析。

圖9 供液孔斜角示意圖

3.1 電解液間隙流場分布

不同供液孔斜角的間隙流場流速等值線分布如圖10所示。由圖10可以看出：在斜供液孔中流場流速等值線密集程度和速度值比徑向供液孔條件下顯著增高，其中當供液孔傾斜40°時奔向工作齒表面的電解液流量最充足飽滿，流場特性最好，能夠及時帶走電解產(chǎn)物，對加工穩(wěn)定性最有利。

圖10 不同供液孔斜角的間隙流場流速等值線分布圖

3.2 工作齒區(qū)域電解液流速分布

沿工作齒軸向添加截面將其分為10等份，在每個截面得到工作齒區(qū)域電解液流速，不同供液孔斜角流速變化曲線如圖11所示。由圖11可知：斜供液孔能明顯提高工作齒表面電解液流速；供液孔斜角由25°增大到40°時，工作齒表面電解液流速明顯上升，從40°～45°時流速有所增加但變化不大。

圖11 不同供液孔斜角下工作齒區(qū)域流速

綜上所述，當出液孔斜角為40°時，加工間隙流速較高，電解液分布最均勻，整體效果最好，能夠及時帶走加工間隙電解產(chǎn)物和熱量，有效地避免了工件加工表面出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象，提高了工件表面質量。

4 工藝試驗

試驗設備采用自主研發(fā)的大型臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng)，如圖12所示。該系統(tǒng)主要包括：長達24 m的機床床身，電源控制系統(tǒng)，電解液的循環(huán)、過濾及恒溫控制系統(tǒng)，導電、導向等專用裝置。電源控制系統(tǒng)電壓0 V～24 V可調，具有快速短路保護功能，能有效避免短路損傷陰極；電解液循環(huán)系統(tǒng)使電解液同步凈化降溫，可實現(xiàn)高效重復利用；導電軸等專用設備具有導電、密封、旋轉等功能，確保電解加工過程的穩(wěn)定可靠。

圖12 自主研制的大型臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng) 圖13 鈦合金內螺旋線實物(局部樣件)

在電壓為10 V、陰極進給速度為20 mm/min、電解液恒溫30 ℃、入口壓力為1.2 MPa加工參數(shù)條件下，選用質量分數(shù)為3%NaCl+10%NaNO3+6%NaClO3的復合電解液，用供液孔斜角40°的拉式順流陰極進行鈦合金內螺旋線電解加工試驗。加工過程穩(wěn)定，成型精準，加工出的鈦合金內螺旋線實物如圖13所示。利用白光干涉儀(型號ZYGO Plus)對樣件切塊進行表面粗糙度檢測，結果顯示：陰線表面粗糙度為Ra0.747 μm，小于Ra0.8 μm，符合設計要求。

5 結論

本文提出了一種鈦合金內螺旋線電解加工方法，通過間隙流場仿真優(yōu)化了陰極結構,并開展了電解加工試驗研究，得到以下結論：

(1) 拉式順流陰極在加工間隙電解液速度、流場均勻性方面優(yōu)于拉式逆流陰極。

(2) 采用拉式順流陰極，當供液孔斜角為40°時，整體間隙流場電解液流速及分布均勻性最好，有利于鈦合金材料的溶解及電解產(chǎn)物的排出。

(3) 在加工電壓為10 V、陰極進給速度為20 mm/min、電解液溫度為30 ℃、電解液進口壓力為1.2 MPa加工參數(shù)條件下，采用3%NaCl+10%NaNO3+6%NaClO3的復合電解液在自主研發(fā)的大型臥式數(shù)控電解加工機床上實現(xiàn)了鈦合金內螺旋線樣件穩(wěn)定可靠加工，成型精準，表面粗糙度達Ra0.747 μm。